大气边界层特性的风洞模拟研究

论文摘要

本文主要是以风洞实验为主对大气边界层中的平均速度和湍流量分布进行研究,在此基础上,深入探讨了粗糙元排列方式和自由流速度对大气边界层特性的影响,所得结论对于了解大气边界层中的空气动力学参数具有一定的参考价值。首先,通过对直接测量误差的概率分析,提出了一种划分大气边界层的新方法,将整个大气边界层分为外层和内层,内层进一步分为应力下降亚层、惯性亚层、过渡亚层和嵌入亚层,该方法避免了传统分层方法在叠加区的模糊性。其次,在风洞中成功模拟大气边界层的基础上,提出了一种拟合技术,即在常数应力区内按照均方根误差或最大偏差为最小值的原则来确定最佳拟合区域,这样可以最大限度地减少拟合过程导致的粗糙度的不确定性,从而可以得到一些带有规律性的趋势,例如,零平面位移随自由流速度的增加而增加,粗糙元排列密度越大,零平面位移的上升斜率越高,同时,粗糙度随自由流速度的增加而下降。本文还发现,从拟合风廓线获得的摩擦速度代表总体摩擦速度,包含雷诺应力、尾流扩散、粗糙元之间相互作用和反弹力等许多因素的贡献,显著区别于直接从测量雷诺应力廓线而得到的剪切摩擦速度。此外,本文根据实验数据建立了一个新的计算零平面位移的数学模型,揭示了自由流速度对零平面位移的巨大影响,也反映了零平面位移对计划面密度的依赖关系。并且,通过引进新参数尾迹因子,补偿尾流扩散和粗糙元之间相互作用对边界层流场的影响,本文推导出了一个预测粗糙度的模型。最后,本文进行了数值计算,由数值计算的结果与风洞实验数据之间的比较显示,垂向平均速度与自由流达到平衡的高度远远大于流向平均速度,因此,测量区域应伸展到远远超过传统定义的边界层厚度之外。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 大气边界层简介
• 1.3 相关研究综述
• 1.4 边界层流场的检测方法
• 1.5 本文主要内容和创新点
• 第2章 理论基础
• 2.1 湍流边界层理论
• 2.2 相似理论
• 2.3 误差理论
• 第3章 大气边界层的实验模拟方法
• 3.1 低速风洞概述
• 3.2 尖端—粗糙元技术
• 3.3 实验设计和安排
• 3.4 测量方法
• 第4章 风洞实验结果和分析
• 4.1 低速风洞测试
• 4.2 边界层的湍流特性
• 4.3 不确定性分析
• 4.4 平均速度廓线
• 4.5 空气动力学参数的数学模型
• 4.6 流向测量位置对边界层的影响
• 第5章 数值计算
• 5.1 计算模型和计算方法
• 5.2 网格划分
• 5.3 数值模拟结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢